2011年度获奖成果汇编 3.5当前治黄工作中几个急需解决的重大问题 ¾简要信息 【获奖类型】应用二等奖【任务来源】中国水科院科研专项【课题编号】泥集0820【课题起止时间】2008年4月~2010年12月【完成单位】中国水利水电科学研究院【主要完成人】彭瑞善 ¾立项背景 根据近几年黄河治理工作的实际情况和项目负责人的具体工作条件，为使研究成果能对当前的治黄工作有用有益，针对当前治黄工作中的一些急需解决的问题，调整了研究内容，目标是解决当前治黄工作中的一些急需面对的问题，以促进治黄工作顺利开展，达到长治久安。
¾详细科学技术内容 黄河的水沙特征是水少沙多、水沙异源。
黄河清水主要来自兰州以上，宁蒙河段为干旱耗水区，河口镇至潼关为黄土高原水土流失区，大量泥沙汇入黄河，使下游堆积成地上悬河。
黄河上中游峡谷河段的治理，应以改善下游河道防洪条件和开发水能资源为主，已在地形地质条件优越的三门峡、小浪底、刘家峡和龙羊峡至青铜峡河段修建了调节水库和水电站。
在中游黄土高原水土流失区开展水土保持工作，下游河道加高培厚大堤并自下而上进行了河道整治。
同时，全河修建了大量引水工程，随着流域经济的发展，引用水量大幅度增加，加之1986年以后来水偏枯，当今的黄河治理需要考虑上述新情况。
平原河流的形成和演变决定于流域的产水产沙状况，河流的基本任务就是汇集流域的水沙并输送入海或湖泊，输水输沙是河流的自然属性。
由于黄河流域产沙多、产水相对较少，且搭配失调，在其自然形成的河床上不断堆积抬高，当修建堤防后，就逐渐发展成河槽高于河岸的地上河，故一条流路不可能持续完成输水输沙的任务，因而经常改变流路重新造床后又逐渐堆积抬高，如此循环，冲积 160 二等奖成果 成25万km2的华北平原。
人类的生活离不开水，原始社会的部落就居住在河畔，现代人的生活、工农 业生产、交通运输、能源和生态环境等都需要河流，要求河道的流路稳定顺畅，输沙平衡，流量均匀。
因此,服务于人类的生存发展是河流的社会属性。
河流的治理必须在顺从河流自然属性的前提下，尽可能满足其社会属性，使河流的自然属性与社会属性合理的融合，以造福于人类。
中华人民共和国成立以来，治黄工作取得了丰硕的成果，不仅保障了60多年伏秋大汛的防洪安全，而且在引黄灌溉和水电开发等方面做出了重要贡献。
但是，治黄工作也遭受过严重的挫折，因对水土保持减沙效益估计错误，对泥沙淤积的严重性认识不足，导致三门峡水利枢纽改建，下游花园口水利枢纽、位山水利枢纽，相继破坝恢复原河道，泺口水利枢纽、王旺庄水利枢纽，已施工了部分建筑物后被迫半途而废，三门峡水库回水对渭河造成的淤积，至今还严重影响关中平原的防洪安全和农业生产等。
若在规划设计阶段能正确预估来沙量，第一期工程先建小浪底水利枢纽或加大三门峡水利枢纽的泄洪排沙措施，建成低水头枢纽，下游不建梯级枢纽，则可避免这些损失和后遗症。
可见，正确预估今后的水沙条件，是规划治黄方案的基本依据和决定成败的重要因素之
一。
因此，必须深入细致地对水沙问题进行研究，水沙量估计少了不行，估计太大也会造成一些麻烦和损失。
从治河大业走向长治久安考虑，只有研究成果尽可能接近今后的实际情况，才能使规划建设取得最大的综合效益。

（1）过去黄河观测的水沙资料，应根据下垫面的变化进行修正。
黄河流域防洪规划，关于黄河下游河道最后选择的水沙系列为丰、枯、平系列组合，即1975～1982年+1987～1996年+1971～1975年，该系列龙门、华县、河津、状头四站设计水沙量分别为321.5亿m3、10.6亿t。
经过小浪底水库调节后，出库水沙量加上伊洛沁河水沙量，得到进入黄河下游的水沙量（在建库后20年内的水库拦沙期）分别为330.54亿m3、4.03亿t。
小浪底水库已建成运行11年，为了检验规划预测数据与实际发生的水沙量的符合程度,分别用四站设计水沙量和进入黄河下游的水沙量与水库建成后2000～2009年潼关、花园口实测的水沙量进行比较，发现小浪底建库后10年实际发生的水沙量远小于规划预测的水沙量，规划预测的年水量约为建库后10年平均值的1.4～1.5倍,年沙量约为建库后10年平均值的3.4～3.9倍,.因此,规划预测小浪底水库的淤积速度和下游河道冲淤演 161 中国水科院科学技术奖2011年度获奖成果汇编 变将与实际出现的情况产生相当大的差别，这将直接影响规划治理的方法和措施。
分析全流域历年降雨、产流、汇流及下垫面的变化情况与河道水沙径流量及其过程的关系，以判别各种因素对水沙径流量的影响程度，有助于预估今后一段时间进入黄河各河段的水沙量及其过程。
初步分析表明，全流域2000～005年平均降水量，较多年平均值减少约3%，但黄河下游花园口、高村、利津站2000～2005年平均径流量，较多年平均值分别减少45%、47%和61%。
可见，影响进入下游河道径流量减少的主要原因是人类活动，降水量减少占的比重较小。
黄河下垫面的巨大变化和人类生存发展的要求，不但会使相同降雨量，进入下游河道的水沙量减少，而且也会使洪峰流量大幅度减小。
河流的形成和演变决定于流域的来水来沙条件，黄河干支流已建的大量水库、电站、引水工程，并实施了大规模的流域水土保持措施等，现在黄河流域的下垫面(包括流域地面和干支流河道)已发生巨大变化，遭遇与过去同样的降雨，将产生与过去不同的水沙径流数量和过程。
因此，过去实测的水沙径流资料和典型水沙系列（如小浪底水库2000年设计水平1950～1975年代表系列等典型水沙系列）难以代表今后可能发生的情况，为了尽可能准确地预估今后进入黄河各河段的水沙量及其过程,应深入细致地研究黄河水沙变化与降雨和下垫面之间的关系，可将过去黄河流域（特别是中游流域）的降水资料，降到现在黄河流域的下垫面上，重新推算其产生的水沙径流量和过程，按此办法对过去的水沙资料进行系统的修正（若气候变化影响黄河流域降雨，取得可靠研究成果后，还应考虑气候变化的影响），用修正后的资料和近年的观测资料一起，重新计算各控制站的洪水频率和用水保证率等水沙特征值，以及选配组合各种典型的水沙系列，作为今后一段时间编制、修订治黄规划和工程设计、运用、河道整治以及对已有工程进行校核计算的依据。

（2）对水沙资料应有动态分析的观念。
洪水出现的频率和进入河道的水沙量都是一种随机现象，并受人类活动的影响，观测资料的系列越长，计算出的成果越接近实际，因此，最好对全河的水沙资料进行连续的跟踪研究，每5-10年可将新近观测的资料添加到原来分析计算的资料系列中去，重新计算洪水频率和各种水沙特征值，作为此后一段时间工程规划设计的依据，并对已建工程进行校核。
若某个时期下垫面等因素发生巨大变化，则应对此前观测的水沙资料，按新 162 二等奖成果 的下垫面等因素进行修正，再用修正后的水沙资料计算洪水频率和各种水沙特征值，这样做可以使分析计算结果更接近此后可能出现的实际情况。
同时,对相关水利工程的运用或规划，也应采取动态管理的方法，原设计的运用方案是根据当时所掌握的水沙资料和认识制订的，随着观测资料系列的延长，来水来沙和有关因素的变化，可考虑调整水沙数据和运用方式或工程规划等，使其与新的情况相适应，以发挥最大的综合效益。
例如，建设在黄河上的某些水利枢纽，就可以根据水沙观测资料系列的延长和以后的变化趋势等因素，重新选配组合代表今后可能发生的水沙系列，进行水库淤积年限校核计算，甚至可以考虑调整运用水位、防洪库容等。
黄河下游河道整治规划也应根据来水来沙的变化趋势等情况进行修订。
使工程的运用方案或规划设计，尽量与实际情况相适应，以最大限度地发挥综合效益。
大容量和高速度运行的计算机为修正水沙资料创造了有利条件，以实际观测的水沙资料为基础，随着时间的延续或下垫面的变化，对水沙资料进行修正，供其后一段时间采用，可以使资料分析的成果与其后一段时间的实际情况相符合，将可提高工程的可靠性和效益。
此观念对国内外江河具有广泛的应用前景，近年长江三峡工程进出库沙量的巨大变化，也说明下垫面的变化对水沙过程的影响。
对于中小河流，由于观测水沙资料的年限短，采取动态分析和动态管理更有实际意义。
应用的水沙资料，是否符合今后的实际情况，是影响河流治理规划与工程设计成败或发挥效益的重要因素，因此，根据下垫面的变化，对水沙资料进行系统修正和对水沙资料动态分析的观念，并对相关水利工程的运用或规划，采取动态管理的方法，不仅对当前黄河治理有紧迫而重要的意义，而且对其它下垫面发生变化的河流也有不同程度的推广应用前景。

（3）建议修改黄河下游河道治理方略。
根据进入黄河下游水沙量和洪峰流量大量减小的情况，今后，黄河下游不再需要过去那样宽的河道，“宽河固堤”没有必要再作为治河方略的内容。
黄河流域防洪规划在治河方略一节的前两段已经论述了综合管理洪水、控制洪水和综合处理泥沙的理念和措施，不必再重复“调水调沙”，故建议将下游河道治理方略“稳定主槽，调水调沙，宽河固堤，政策补偿”修改为“稳定主槽，平衡输沙，关注滩区和滞洪区”。
根据现在和今后进入黄河下游的水沙条件和国家的经济实力与科技水平，有条件逐步实现平衡输沙和改善滩区人民的生产生活条件与促进滞洪区的开发建设。
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（4）为了有利于滩区和滞洪区人民的生产生活，除应大力加强小浪底、陆浑、故县、河口村（沁河河口村水库建成后-下同）、花园口区间流域的水利水保工作以外，还要加密雨量观测站点布设，研究水库群联合调度决策支持系统，并采用最先进的量测传输手段，及时预报小陆故河花无控制区间流域的暴雨产流汇流状况，适时调控上游水库群联合运用方式，充分发挥三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村诸水库拦截上游来水的作用，力争使花园口的洪峰流量只来源于小陆故河花区间的降雨或再增加必需的发电流量，从而降低花园口各级频率的洪峰流量。
滩区可采取修建防8000～10000m3/s洪水的生产堤等措施,使滩区的防洪标准接近中小城市的防洪标准，滞洪区的使用频率将更小。

（5）输水输沙是河流的自然属性，服务于人类的生存发展是河流的社会属性。
河流的治理必须在顺从河流自然属性的前提下，尽可能满足其社会属性，使河流充分、全面、可持续的造福于人类。
平原冲积河流是来水来沙所形成的，当来水来沙发生巨大变化后，河流的特性、河道的形态、尺寸、输水、输沙能力和河床演变等，均将发生变化，河道的治理规划亦须相应改变，才能与变化后的水沙条件相适应。
黄河下游河道整治的基本要求是保持河道的纵向输沙平衡和平面上的河势稳定，须根据水沙减少的情况修订规划。
提高河道输沙能力的基本途径是减少河床的阻力损失，与流量相适应的河湾曲率半径、窄深河槽和平整连续的护湾工程，以及各河湾之间流势的衔接配合，有利于稳定主槽和平衡输沙。
在规划黄河下游河道整治方案、工程布置和选择工程结构时，应尽量减少水流的能耗（减小n），这不但有利于工程的稳定，而且可以提高输水输沙能力。

（6）调水调沙运用与河道整治相互配合。
黄河下游河道整治的基本要求是实现平面上主槽稳定和纵向输沙平衡，河道整治的基本途径是依据河床演变规律，调节水沙，选配河床的边界形式并建造整治建筑物和采取生物措施等，实现河势稳定和输沙平衡。
在规划流路和佈设整治工程时，不但要求能控导河势，固定基本流路，以保障防洪安全，满足各引水闸的进水要求，而且要提高河道的输沙能力，使各河段的输沙能力均能与上游的来沙量一致，以实现输沙平衡。
河床演变决定于来水来沙与河床边界的相互作用和强弱对比关系，来水来沙是造床的主动作用因素，河床边界起被动的反作用，并对水流产生一定的规导。
黄河下游河道治理,必须从调节水沙和改变河床边界条件两方面着手，因此，水库的调水调沙运用，应与下游河道整治相互配合，才能更有效的发挥冲深河槽，稳定流路， 164 二等奖成果 输沙入海的作用。
今后每年的调水调沙运用方案,最好能根据该年下游河道的冲刷情况，河床粗化情况，来水来沙情况，各处的需水供电情况，上游相关水库群的各种情况，进行综合分析，按照综合效益最大的原则确定。

（7）挖过渡段浅滩难以改变弯曲型河道起伏不平的纵剖面。
原型观测和模型试验资料均证明,弯曲型河流河床纵剖面的基本形态是起伏不平的，两弯道之间的过渡段浅滩的高程，总是高于上下弯道深槽的高程，这是弯曲型河道的水力特性和冲淤特性所决定的。
浅滩挖深后还会回淤。
治理的根本途径是通过河道整治，缩窄河槽，稳定流路，提高整个河段的输沙能力，并与水库的调水调沙运用相互配合。

（8）“二级悬河”的治理，可研究在两岸大堤之间，局部改变流路的办法，选择河床高于河滩地较为突出的“二级悬河”河段，将主流改走原为滩地但高程最低的位置。
并按平衡输沙和各控制河湾平顺衔接的要求,选择流路和河槽的整治河宽。
使新流路更趋顺畅，控导工程的布设与今后的水沙条件更相适应，水流能耗更小，有利于河道泄洪输沙，以彻底改变“二级悬河”的状况，实现长治久安的要求。

（9）黄河水流的挟沙能力，由于含沙量大，改变了水流的物理力学性质，影响因素众多且经常变化和相互作用，其函数关系非常复杂，初步分析认为，黄河水流挟带泥沙的能源来自γmQJ，阻力和负载为nωm，γｍ与ωm等因素均与含沙量有关，因此，黄河水流的挟沙能力，不仅与水力因素和泥沙粒径有关，而且随含沙量的增大而增大，具有多值关系(多来多排)和隐函数特性。
（10）龙羊峡水库和刘家峡水库的建成运用，极大地减小了进入宁蒙河段的洪峰流量和沙量，引起河道淤积萎缩（实质上是适应新的水沙条件重新造床）。
宁蒙河段因来水来沙和洪峰流量远小于黄河下游，尽可能通过河道整治等措施，去适应上游梯级电站为提高发电、灌溉、调洪等综合效益所下泄的水沙过程。
宁蒙河段的治理主要是防淤、固河、固沙、节水，及有利于排泄冰凌，即通过各种措施，缩窄河槽，稳定流路，集中水流，以提高河槽的输沙能力，并兼顾保水作用，治河工程除采用土石结构以外，还可采取生物措施，沿滩地、堤岸种植林木及活柳护坎防冲等。
对沿河沙丘要采取各种固沙措施，并加强对十大孔兑流域的治理，以减少其进入黄河的泥沙量，采用先进的灌溉技术，减少水分的蒸发渗漏，减少引用水量。
165 中国水科院科学技术奖2011年度获奖成果汇编 （11）建议尽早修建古贤水库，拦截其上游的来沙，使小浪底水库只承担拦截龙门至潼关河段来沙的作用，以延长其使用年限，中游下游协同治理，有利于实现下游河道输沙平衡。
龙门至潼关河段的滩地堆沙和控导河势等综合治理，除了考虑与古贤水库的规划设计相结合的方案以外，还可研究与禹门口水利枢纽相结合的方案，以避免长距离隧洞渠道输沙，直接在禹门口建闸坝壅水上滩沉沙，非淤沙水量，枢纽还可发电。
（12）由于人类活动和气候变化等因素的影响，当前的治黄工作面临许多新问题，需大力开展新的研究项目，以推动治黄工作稳步发展，实现长治久安。
要深刻总结治黄工作的经验教训，全面研究水利水保措施、干支流水库和取水工程，以及气候变化等因素，对进入各河段水沙条件的影响。
采用科学的分析方法，力争预估未来的水沙系列，接近未来实际发生的情况。
沙量和洪峰流量估算小了不行，估算太大也会带来一些麻烦和障碍。
需要强调的是，对于难以预料的大洪水等不利情况，要有可行的对策预案，确保防洪大局安全。
¾发明及创新点 黄河流域下垫面（包括流域地面和干支流河道）已发生巨大变化，流域内已修建大量水利水保工程和实施了大规模的坡耕地改梯田及植树造林等生物措施，降雨的水沙径流系数均大为减小。
水沙径流的数量和过程是降雨和下垫面相互作用所形成的，雨水是主动作用因素，下垫面遭受降雨作用后，在自身发生相应变化的同时，并对雨水的去向进行分配，多少水保持在原地附近贮存、入渗、蒸发；多少水形成地表径流由支沟汇入河道，对雨水的分配状况和自身变化的程度决定于降水的强度、过程和下垫面的条件（植被、土质、地形等）及日照等，对于中常降雨，良好的植被，平坦或凹坑地形，一般是自身变化小，就地贮存、入渗和蒸发的水量多，汇入河道的水流少，泥沙径流更少；下垫面若为植被差的黄土丘陵沟壑地形，则自身变化大，水土大量流失，汇入支沟河道，就地贮存、入渗和蒸发的水量少。
遭遇暴雨，一般都会不同程度的增加水土流失量。
植树、种草、修建鱼鳞坑、梯田、淤地坝、拦沙坝等水土保持措施都是为了改变下垫面的条件，调整雨水的去向，以利于当地保持水土、发展生产，同时也减少了进入河道的水沙量。
再加上干支流水库对水沙的调节作用，进入黄河各河段的水沙径流量及洪 166 二等奖成果 峰流量均大幅度减少，但小浪底水利枢纽的设计和黄河流域防洪规划等，都是直接引用过去实测的水沙资料进行的，其预测工程建成后的水沙量，与近年实际进入黄河的水沙量出现较大差异，与将来进入黄河的水沙量也会产生较大的差别。
北京由于地面硬化面积增大（下垫面变化），硬化地面较硬化前的地面，降雨的径流系数增大数倍，按原径流系数布设的排水设备，不能满足排水要求，造成内涝，也是一个例证。
鉴于此，故提出将过去黄河流域的降雨资料，降到现在黄河流域的下垫面上，重新推算其产生的水沙径流量和过程，用以修正黄河各主要控制站过去实测的水沙资料，再用修正后的水沙资料和近年的观测资料一起，重新计算洪水频率，以及选配组合各种典型的水沙系列，作为今后一段时期工程规划设计、河道整治和对已有工程进行校核计算的依据。
并提出对水沙资料应有动态分析的观念，因为洪水出现的频率和进入河道的水沙量都是随机的，观测资料的系列越长，计算出的成果越接近实际，特别是今后一段时间，黄河流域的下垫面还在不断发生变化，因此，应对全河的水沙资料进行连续的跟踪研究，每5~10年可将新近观测的资料添加到原来分析计算的资料系列中去，重新计算洪水频率和各种水沙特征值，作为此后一段时间工程规划设计和对已建工程进行校核的依据，同时对相关的水利工程，亦应建立动态管理的制度，根据水沙变化，调整管理运用方案，使其能符合未来实际的水沙情况，以发挥更大的效益。
根据下垫面的变化，对水沙资料进行系统修正和对水沙资料进行动态分析，并对相关水利工程的运用或规划，采取动态管理的创新思维，在国内外尚属首次提出。
对当前黄河治理有紧迫而重要的意义，对今后黄河的治理规划、工程设计和科学研究工作都会产生相当的影响，对全球下垫面已发生变化的河流，也有广泛的应用前景，应用后，可以使相关工作成果得到优化，更符合实际.，从而取得更好的社会效益和经济效益。
黄河下游按过去的水沙资料做出的规划，应该按修正后的水沙资料进行修订，才能符合今后的实际，实现根治黄河的目标。
黄河下游河道是来水来沙所冲积形成的，河道的尺寸和河床演变特性，决定于来水来沙与河床边界的相互作用和强弱对比关系，根据进入黄河水沙量和洪峰流量大量减小的新情况，建议将“稳定主槽、调水调沙，宽河固堤、政策补偿”的下游河道治理方略修改为“稳定主槽，平衡输沙，关注滩区和滞洪区”。
还研究了有利于滩区和滞洪区人民生产生活的技术措施、挖河固堤及二级悬河治理、以及河道 167 中国水科院科学技术奖2011年度获奖成果汇编 整治方法等问题，上述新成果，对黄河下游治理工作，具有相当重要的作用。
¾与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 国内外研究江河演变和治理问题，都是以江河的实际观测资料为基础，利用物理力学、地理、环境等概念，进行实测资料分析、数学模型计算和物理模型试验等研究，并在资料分析方法、数学计算方法和模型试验方法的理论和技术上不断改进和创新。
本项研究与同类研究综合比较，不但在治黄思路有所创新，措施上更具可操作性，而且对治河研究的基础——原型实测资料，首次提出应根据下垫面（若气候变化影响黄河流域降雨，取得可靠研究成果后，还应考虑气候变化的影响）的变化，进行修正的新概念。
此新概念对当前黄河治理有十分重要而紧迫的意义，对国内外下垫面发生变化的河流，都有相当的推广应用价值。
与当前国内外同类研究比较，本项研究成果的基础更可靠，更符合实际，更具实用价值，更有利于广大人民。
¾成果应用情况及社会经济效益 按照本项研究成果中提出的新概念和黄河治理新思路和措施，通过进一步研究并付诸实施，即可取得以下巨大的社会经济效益：
（1）进入小浪底水库和黄河下游的水沙量，可以预测得比较接近实际，,小浪底水库的淤积年限和淤积过程的计算结果也可比较接近实际，从而有利于小浪底水库发挥更大的作用。

（2）黄河下游的整治河宽、河湾半径等平面尺寸选择得更为合理，有利于逐步实现稳定主槽，平衡输沙的要求。

（3）黄河下游滩区的防洪标准可提高到中、小城市的防洪标准，并减少滞洪区的使用频率，从而有利于改善滩区190万人民的生产生活条件和滞洪区的建设（黄河下游治理和滩区、滞洪区建设，都是2011年中央1号文件的要求）。

（4）二级悬河可以得到根治，从而更可靠的确保黄河下游的防洪安全，实现长治久安。

（5）宁蒙河段的整治河宽、河湾半径等平面尺寸选择得更为合理。
不但可减缓宁蒙河段河槽的淤积，稳定流路，提高防洪标准，而且有利于上游梯级电站提高发电、灌溉、调洪等综合效益。
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